电力系统风险评估综述_李丽

科学之友

ＦｒｉｅｎｄｏｆＳｃｉｅｎｃｅＡｍａｔｅｕｒｓ２００８年０２月

电力系统风险评估综述

李

（１．山西省超高压公司，山西

太原

丽１，温秀峰２

０３０００６；２．华北电力大学，河北

保定

０７１００３）

摘要：文中分别从元件级风险评估和系统级风险评估进行了论述，并提出了基于各自方面评估的概念、步骤、方法以及研究状况和具体应用，阐述了风险评估的研究思路；接着介绍了电力系统风险评估中的方法和各自的优缺点和具体应用情况，最后指出了电力系统风险评估的发展趋势。

关键词：电力系统；风险评估；可靠性中图分类号：ＴＭ７３２文献标识码：Ａ

文章编号：１０００－８１３６（２００８）０２－００１９－０３

随着全球经济的持续增长，大电网向着远距离、超高压甚至

特高压方向发展，网络规模日益庞大，结构日益复杂。在电力系统取得巨大联网效益的同时，也不得不承受着更大的潜在风险。尤其是随着电力市场化改革的推进，管理机构的更迭和新的成员参与市场，人们所难以控制的不确定因素及其对电网的影响更为深广，使得电力系统的规划、运行、维修和资产管理工作都面临着极大的挑战。因此，电力系统风险研究的重要性越来越显现出来。

在著名电力专家Ｖｉｔｔａｌ的文献中，明确提出了电力系统风险

“对电力系统面临的不确定性因素，给评估的概念，基本定义为：

出可能性与严重性的综合度量”，其数学表达式为：

（Ｘｔ，ｆ）＝! Ｐｔ（Ｅｉ）（Ｒｉｓｋ

ｉ

路器、隔离开关以及无功补偿设备等组成。元件停运是系统失效

的根本原因，系统风险评估首先要确定元件的停运模型。元件失效分为独立和相关两类停运，每一类又可进一步按停运模式加以细分。大多数情况下，只计入可修复的强迫停运，有时也对计划停运进行模拟。传统的风险评估中没考虑老化失效，而实际中考虑元件老化失效情况的模型更加合理，得到的结果更加切合实际。

风险评估首先考虑的是元件的风险评估，但与以往元件可靠性研究不同的是，元件风险评估不仅要进行数学模型的建立，而且还需要开发实时的监测系统、统计一次设备故障后采购新设备的成本，并进行一些测量实验。１．１架空线路的风险评估

电流通过输电线路产生的热量会带来两种不利的影响：①铝导体连续处于过度的高温，会逐渐退火并失去机械强度；②导体在较高温度时膨胀，会增加线路的弧垂，从而减少了离地高度。架空导线的允许载流量是与导线的结构、电阻、允许温升和环境条件等因素有关。文献［３］和［４］提出，设计部门关注于得到一个允许载流量的“定值”，而调度部门应关注随着实时温度和风速情况的“变化值”，进而在线调整线路的功率上限。１．２变压器的风险评估

根据变压器过载运行时自身的温度以及在此温度下绝缘材料的老化程度，将它作为过载的限制条件，并计算过载能力。文献［５］提出，调度部门应关注变压器超载后绕组有效寿命降低和变压器整体绝缘毁坏的风险。该文献首次在变压器运行容量分析中考虑了负荷与外界温度有关的不确定性，认为变压器绕组有效寿命降低的风险可用替换绕组的成本来计算，而变压器整体绝缘毁坏的风险则由更换整个变压器的成本来计算。

（! Ｐｔ

ｊ

Ｘｔ，ｊ）／Ｘｔ，ｆ）（Ｓｅｖ（Ｅｉ，Ｘｉｊ））

式中：Ｘｔ，ｊ：ｔ时间的运行方式；

Ｘｔ，ｊ为第ｊ个可能的负荷水平；

Ｐｔ（Ｘｔ，ｊ／Ｘｔ，ｆ）是ｔ时间出现Ｘｔ，ｊ负荷水平的概率；Ｅｉ：第ｉ个不确定的扰动；Ｐｔ（Ｅｉ）：Ｅｉ扰动出现的概率；

Ｓｅｖ（Ｅｉ，Ｘｔ，ｊ）是在Ｘｔ，ｊ和Ｅｉ扰动下系统损失的严重度。电力系统风险评估的主要内容及其关系见图１，可以分为元件级风险评估、系统级风险评估和基于风险评估的决策优化３大类，Ｖｉｔｔａｌ研究组在这３方面做了一些开拓性的研究工作。

｛

风险评估（指标的建立）

｛｛

元件级系统级

｛

架空线路运行的风险评估变压器运行的风险评估基于风险的静态安全评估基于风险的电压稳态评估基于风险的暂态稳定评估基于风险的安全域分析

基于风险评估的决策优化

图１

｛

基于风险的最优潮流基于风险的检修计划

风险评估的研究内容

电力系统风险评估的基本步骤通常包括以下４个方面：①确定元件的停运模型；②选择系统状态和计算他们的概率；③评估所选择状态的后果；④计算风险指标。

｛

独立停运

相关停运

｛｛

可修复强迫失效

强迫停运不可修复强迫失效

半强迫停运

计划停运部分失效模式

多重停运模式

｛

｛

共因停运无件组停运电站相关停运电锁停运

环境相依失效

停运模型划分

１元件级风险评估

电力系统由大量的发电机、架空输电线路、电缆、变压器、断

图２

１．３电力系统元件停运模型

－

１９－

应用技术

将电力系统元件的停运模型划分见图２。

建一个停运模型有时可以精确建立，有时可以作适当的简化。

立或简化停运模型时，重要的是理解一个失效事件怎么样发生，它会产生怎么样的影响，以及失效元件又如何恢复运行。了解模型中每一个参数的数量特别有用，这将有助于进行合理的简化。

李丽１，温秀峰２：电力系统风险评估综述

概率性评价方法是根据元件故障和修复的统计值，通过计

算得到系统和节点的运行参数变化区间和风险指标，从而对系统的可靠性能有一个较为全面和客观的评价［１１，１２］。概率性风险评价方法分为解析法和模拟法两种。

２

２．１

系统级风险评估

３．２解析法进行风险评估３．２．１网络法

网络法是一种较早使用的计算系统可靠性的方法，它主要针对两状态元件组成的系统，按逻辑的串并联关系进行分解来分析系统的可靠性能。最小连集和最小割集是网络法的常用分析工具。

网络法最主要的特点是概念简单、计算容易，适用于规模较小、元件较少、元件只有工作和故障两个状态的系统可靠性计算。缺点是：不能模拟较为复杂的运行状态，如多状态元件、相关故障、共模故障等，只能给出系统的部分简单指标。当系统较大时，计算量很大。３．２．２故障树分析法

故障树分析法实际上是网络法的一种拓展，它把系统最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，把选定的系统故障状态称为顶端事件，并以此为出发点，运用工程和逻辑的推理，根据系统中元件的故障率、运行人员的误操作和维修不当的可能性，以及其他外界条件等，来进一步探索引起这一终端事件的各种原因，一直追溯到那些原始的或其故障机理或概率分布都是已知的，因而不需继续分析因素为止。画出它们之间的逻辑关系图，即所谓故障树。根据故障树的结构，可以对引起不希望发生事件的各种可能性作定性分析和对不希望发生事件的概率作出定量估计。

故障树分析法的优点是提供了一种系统的方法来阐明各元件和子系统级故障间的因果关系，迅速发现系统中最重要的故障和薄弱环节。但由于故障树分析法只能评估系统故障与否，所得的可靠性指标有限，所以一般只用于简单系统的可靠性计算。３．２．３状态空间法

系统中的每一元件按照其工作、故障和修理的模式可以取多种状态，而系统的状态则与每一元件的状态及工作环境的状态有关。一特定系统可能出现的全部状态集合称为状态空间。状态空间法的理论基础是随机过程中时间连续状态离散的马尔科夫过程。所以，简单的说，状态空间法就是将系统用它的状态和其间可能发生的转移来表示，并据此计算系统的风险指标。３．３蒙特卡洛法进行系统风险评估

蒙特卡罗抽样方法（ＭＣ方法）又称随机抽样方法。其基本思想是：为了求解一个问题，首先建立一个概率模拟或随机过程，使它的参数等于问题的解，然后通过对模型或过程的观察来抽样实验，以计算所求参数的统计特征，最后给出所求问题的近似解，并给出解的精度或误差。蒙特卡罗方法就其本质而言是一种概率模拟方法。

基于风险的静态安全评估

电力系统静态安全评估和传统的可靠性评估类似，是对系统的静态特性进行概率评价。其风险评估过程主要包含以下３

个基本步骤：①系统状态的筛选；②对所筛选状态进行分析；③风险指标的计算。文献［７］提出了建立风险严重性表达式的６个原则，即简洁、能反映出不同问题的特征、能反映出损失的严重程度、不应涉及事故后调度员的发电再调度过程、用调度员可以直观理解的方式表达、与确定性的决策准则相联系以便调度员接受。２．２基于风险的电压稳定评估

系统发生故障时，发生电压稳定性事故的可能性就会增大。基于风险的电压稳定评估所要解决的问题是：运行条件变化前后风险如何变化？如何综合考虑电压稳定风险和为了减小此风险所需付出的代价？文献［８］作了这方面的初步探索，所定义的严重性后果包括２个方面：一是为了避开电压崩溃而进行切负荷等调度操作的经济评估；二是一旦出现电压崩溃，此时会造成的全系统的停电损失。

２．３基于风险的暂态稳定评估

系统运行条件可以分为正常、警戒、紧急、极端和恢复等５种状态。从某种意义上来看，正常态和警戒态之间并没有根本性的区别，因为某些严重的不确定性事件（例如保护拒动引起的波及性连锁故障）都可能使这两种状态变为紧急。

基于风险的暂态稳定评估所要解决的问题是：在给定的运行方式下，针对发生故障的可能性及其严重性后果，计算出系统所处的风险水平。与其他确定性暂态稳定评估方法相比，它是在确定性评估上的一种发展。对于某一个特定的运行方式和扰动而言，所使用的时域仿真等算法是一样的，区别在于它进一步对扰动的不确定性因素进行定量评估。文献［９］通过分析故障切除时间的统计特性和不同类型故障的严重程度提出了基于归一化折态能量函数的暂态稳定性概率评估策略。２．４基于风险的安全域分析

在基于风险的安全评估的安全域分析中，需要研究负荷变化和故障发生后随机性的安全域可视化表达。其难点在于安全域是高维的，要在２维或者３维空间表达十分困难。另外，安全域也难以快速计算。

文献［１０］以一个４节点的小系统为例阐明其理论，重点分析了在涉及风险计算条件下的安全域变化情况。如果以金字塔形来类比，元件开断数多的事故对应的安全域处于“靠近”顶部的位置，该区域的风险等于此种事故出现的概率与比它位置“低”的其他层的概率之和。该方法借鉴了发电系统可靠性分析中机组容量停运模型累积状态的研究思路。

４结论

３

３．１

电力系统风险评估方法

电力系统风险评估研究的难点可归纳为３个方面：①电力系统的不确定性具有多种形式；②由于电力系统的复杂性，其安全水平并可能由单一指标来表征，需要多个侧面建立指标体系，因此，如何建立科学、全面体现电网运行风险的指标体系，需要深入研究；③风险指标往往不具有解析表达式，而且基于风险的决策优化的计算量非常大，因此，如何提高决策优化算法的计算效率是一个长期的努力方向。

确定性方法和概率性方法

确定性方法是在预期的故障发生下，研究系统可靠性水平。由于确定性方法只能预想一些故障重数较少的故障类型的事故

后果，而且不能给出事故发生的可能性到底有多大，所以，近年来确定性方法已经逐渐为概率性方法所取代。

－

２０－

科学之友

ＦｒｉｅｎｄｏｆＳｃｉｅｎｃｅＡｍａｔｅｕｒｓ２００８年０２月

参考文献：

方法和应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６．［１］李文沅［加］．电力系统风险评估：模型、

［２］郭永基．电力系统可靠性分析［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３．

［３］ＷａｎＨ．，ＭｃｃａｌｌｅｙＪ．Ｄ．，ＶｉｔｔａｌＶ．．Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｒａｔｉｎｇｂｙｒｉｓｋａｎａｌｙｓｉｓ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ．１９９９，１４（３）：８１５－８２８．

［４］ＺｈａｎｇＪｕｎ，ＰｕＪｉａｎ，ＭｃｃａｌｌｅｙＪ．Ｄ．，ｅｔａｌ．ＡＢａｙｅｓｉａｎａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｓｈｏｒｔ－ｔｅｒｍｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｔｈｅｒｍａｌｏｖｅｒｌｏａｄｒｉｓｋａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ．

（３）：７７０－７７８．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＤｅｌｉｖｅｒｙ，２００２，１７

［５］ＦｕＷｅｉｈｕｉ，ＭｃｃａｌｌｅｙＪ．Ｄ．，ＶｉｔｔａｌＶ．．Ｒｉｓｋａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｆｏｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｌｏａｄｉｎｇ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２００１，１６（３）：３４６－３５３．

（１５）：６－１５．［６］孙元章，程林，刘海涛．基于实时运行状态的电力系统运行可靠性评估，电网技术，２００５，２９

［７］ＮｉＭｉｎｇ，ＭｃｃａｌｌｅｙＪａｍｅｓＤ．，ＶｉｔｔａｌＶｉｊａｙ，ｅｔａｌ．Ｏｎ－ｌｉｎｅｒｉｓｋ－ｂａｓｅｄｓｅｃｕｒｉｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＯｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２００３，（１）：２５８－２６５．１８

（４）：［８］ＷａｎＨｕａ，ＭｃｃａｌｌｅｙＪ．Ｄ．，ＶｉｔｔａｌＶ．．Ｒｉｓｋｂａｓｅｄｖｏｌｔａｇｅｓｅｃｕｒｉｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ．２０００，１５

１２４７－１２５４．

（１）：４４－４９．［９］崔凯，房大中，钟德成．电力系统暂态稳定性概率评估方法研究．电网技术，２００５，２９

［１０］ＬｅｅＳｔｅｐｈｅｎＴ．，ＨｏｆｍａｎＳｔｅｖｅ．Ｐｏｗｅｒｄｅｌｉｖｅｒｙｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｎｉｔｉａｔｉｖｅｂｅａｒｓｆｒｕｉｔ．ＩＥＥＥＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＰｏｗｅｒ．２００１，１４（３）：５６－６３．

下册］，清华大学出版社，１９８６．７．［１１］郭永基，电力系统可靠性原理和应用［上、

［１２］杨莳百，戴景寰，孙启宏，电力系统可靠性分析基础及应用，水利电力出版社，１９８６．

ＲｅｖｉｅｗｏｎＳｔｕｄｙｏｆＲｉｓｋＥｖａｌｕａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ

ＬｉＬｉ１，ＷｅｎＸｉｕｆｅｎｇ２

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｉｒｓｔｇｉｖｅａｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｅｌｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｓｙｓｔｅｍ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｃｏｎｃｅｐｔ，ｓｔｅｐ，ｍｅｔｈｏｄ，ｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｗｈｉｃｈｂａｓｅｄｏｎｅａｃｈａｓｐｅｃｔｅｖａｌｕａｔｉｏｎ．Ｆｏｌｌｏｗｉｎｇｇｉｖｅａｄｅｔａｉｌｅｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｏｆｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｒｉｓｋｅｖａｌｕｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ．Ｉｎｔｈｅｅｎｄｐｏｉｎｔｏｕｔｔｈｅｒｉｓｋｅｖａｌｕａｔｉｏｎｄｅｖｅｌｏｐｔｒｅｎｄｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｒｉｓｋｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ

（上接第１８页）

应力较小，插件插脚不易拔出，所以纵向位安置插件较为稳固。

插件取横向位安置，其横截面的惯性矩远远小于纵向位安置，而插件上缘受到的拉应力又比前者大得多。所以，插件插脚极易松脱，工作可靠性较差。

（３）受电气间隙和爬电距离所限，开关箱内的插件不得不采用横向位安置时，应加强对插件的稳固，特别是对插件上缘的紧固。

（４）开关正常工作（闭、启）时，在开关内产生振动和冲击时，或者在储运过程中产生振动和外部冲击，应对开关内电子插件增设或采取减振措施。

（５）开关下井后，送电前应对开关内部做必要的检查和紧固。（６）在设备日检或定期检修时，除检修其故障后，必须适当对插件进行紧固。

３提高插件稳固性的措施

电子插件的安置方向与其稳固性以及隔爆电气开关的工作可靠性之间存在着一定的内在联系，并且，电子插件截面的惯性矩越大，则插件上缘受到的拉应力越小，插件的稳固性越高。至此，提高插件的稳固性有以下几条：

（１）隔爆电气开关箱内的诸电子保护插件应尽量采用纵向位安置。

（２）隔爆电气开关箱内质量和几何尺寸较大的各种综合保护装置插件应考虑减小其自重，缩短其跨长，避免横向位安置。

４结语

通过上述分析，为了使开关可靠安全地运行，除保证其工作性能外，其内部电子插件的稳固性与否直接影响到开关的正常工作。所以，这点必须引起生产厂家和煤矿用户的足够重视，勿以小而不为，避免事故的隐患。

ＭｅａｓｕｒｅｓｔｏＩｍｐｒｏｖｅＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＰｌｕｇ－ｉｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｎＭｉｎｅＳｗｉｔｃｈ

ＬｉＹｏｎｇｑｉｎｇ，ＬｖＲｕｎｔａｏ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｃａｕｓｅｄｂｙｅａｓｙｅｓｃａｐｅｏｆｐｌｕｇ－ｉｎｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｎｔｈｅｂｏｘｕｎｄｅｒｃｏａｌｍｉｎｅ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｓｗｉｔｃｈｆａｉｌｔｏｗｏｒｋ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｐｌｕｇ－ｉｎｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｍｅｔｈｏｄｓｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｌｕｇ－ｉｎｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｏｆｓｗｉｔｃｈ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｌｕｇ－ｉｎｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ

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